Design and structural finite element analysis of an artificial neural network based optimized alpha type stirling engine
Yapay sinir ağı bazlı optimize edilmiş bir stırlıng motorunun tasarımı ve yapısal sonlu elemanlar analizi
- Tez No: 553329
- Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUGAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA BAYATA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 128
Özet
Enerji gereksinimi ve tedariki asırlardır önemli konular olarak ele alınmaktadır. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte insanlar; elektrik ve termal gibi farklı çeşitlerde, daha fazla miktarda enerjiye ihtiyaç duyma eğilimi göstermektedirler. Teknolojik ilerleme; çevresel kaygı ve maliyet unsurlarının gözetilerek gerekli miktarda enerjinin üretilmesi noktasında tekrar önemli bir rol oynamaktadır. Üniversiteler, şirketler ve devletler tarafından enerjinin elde edilmesi hususunda birçok çalışma, araştırma, geliştirme ve uygulamanın yapıldığı bilinmektedir. Bununla birlikte, enerjinin sürekli arzı konusu halen problem teşkil etmektedir. Bu sorunun üstesinden gelmek için enerji depolama sistemlerinin yıllardır araştırıldığı belirtilebilir. Bu tür sistemlerin en bilinenlerinden biri bataryadır. Genel olarak bataryalar; anlık elektrik enerjisi ihtiyacının ortaya çıktığı durumlar ve dizüstü bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve hatta günümüzde hibrit veya tam elektrikli araçlar gibi sabit olmayan cihazlar için kullanılmaktadır. Diğer taraftan, bataryalar belirli enerji kapasitelerine sahiptirler ve dolayısıyla tüketildikleri zaman tekrar şarj edilmeleri gereklidir veya enerji arzı anında anlık olarak şarj edilebilir kabiliyete sahip olmalıdırlar. Tez çalışmasındaki ana fikirle ilgisi olmasından dolayı; enerjinin sürekli arzı ile ilgili girizgahla başlanılmıştır. Fikir, ticari bir doğal gaz dağıtım şirketinin; doğal gazın yakıt olarak kullanıldığı, küçük, sürekli elektrik enerjisi arz sisteminin uygulanabilirliğiyle alakalı araştırma talebi üzerine oluşmuştur. Talep doğrultusunda; muhtelif doğal gaz kombilerinin elektrik kesintilerinde enerji arzını sağlayacak bir sistem için, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Enstitüsü'nde farklı ekiplerin iş birliği ile çalışılmaktadır. Dolayısıyla, bu ihtiyaca yönelik piyasada bulunan çözümler öncelikle araştırılmıştır. Bulunan örnekler ile isterlerin değerlendirilmesi sonucu; batarya veya güç kaynağı (uninterruptible power source – UPS), kablolar, devreler gibi elektrik bileşenlerinin, generatörün ve doğal gaz ile çalışabilecek dıştan yanmalı tahrik motorunun yer aldığı bir sisteme çalışılmak üzere karar verilmiştir. Böylece, tahrik motorunun optimizasyonu, tasarımı, hesaplamaları ve yapısal mukavemet analizleri ile alakalı çalışmalar bu tez çalışmasının temelini oluşturmuştur. Optimizasyon çalışmalarının öncesinde, sistemin sağlaması gerekeceği enerji miktarının ve dolayısıyla motorun üretmesi gereken gücün belirlenebilmesi için muhtelif bir doğal gaz ile çalışan kombinin elektrik enerjisi tüketiminin anlık ölçümü gerçekleştirilmiştir. Esasında ısınma ve sıcak su kullanımı amacı ile konutlarda kullanılan kombilerin enerji ve güç ihtiyaçları kombi üretici firmalarının kataloglarında belirtilmektedir. Ancak, kombinin elektrik kesintisi sonrasında tekrar devreye girerken ihtiyaç duyduğu enerji ve güç için de çalışma yapılması uygun görülmüştür. Bu kapsamda genel geçer bir kombi kullanım senaryosuna; kombinin ölçüm süresi içinde kapatılıp açılmasına ve belirli aralıklarla kontrollü olarak sıcak su kullanımının yapılmasına; göre kombinin devreye girerken ihtiyaç duyduğu elektrik gücü ve toplam ölçüm boyunca gereken enerji ihtiyacı tayin edilmiştir. Belirlenen güç ihtiyaçlarını karşılayabilecek ve ilgili ısıl çalışma sistemine uygun olabilecek termodinamik çevrimler araştırılmış ve sonucunda Stirling çevriminin uygun olduğuna karar verilmiştir. Motorun çalışma çevriminin belirlenmesinden sonra, literatürde bulunan Stirling çevrimine uygun motor çeşitleri araştırılmış ve yapılan prototip seviyesindeki çalışmanın hızlı ve ayrıca görece düşük çalışma sıcaklıklarına uygun olabilmesi amacıyla Alfa tipi Stirling motoru üzerine çalışılmasına karar verilmiştir. Yine literatür araştırmaları yapılarak; alfa tipi Stirling motorlarıyla ilgili deneysel yapılmış çalışmalar bulunmuş ve içeriklerinden elde edilen test koşulları ve sonuçları kullanılarak optimizasyon çalışmalarına temel teşkil edecek veriler oluşturulmuştur. Optimizasyon kısmında yapay sinir ağı (artificial neural network – ANN) yönteminden faydalanılarak motorun üreteceği güç öngörülmeye çalışılmıştır ve en yüksek güç değerinin tahmin edildiği parametreler belirlenmiştir. ANN yönteminin seçilmiş olmasının nedeni; lineer olmayan ilişkiye sahip giriş parametrelerin değişimlerine güçlü biçimde uyum sağlayarak çıkış veya sonuç oluşturabilmesidir. Ayrıca, hemen hemen her tür uygulama için kullanıcı tarafından belirlenebilen hata seviyesine uygun olacak biçimde öğrenme işlemini yapabilir ve sonuç tahminini oluşturabilir. Dahası, ANN yönteminden faydalanılarak yapılan optimizasyonun; milli literatürde bulunan tez seviyesinde yapılmış Stirling motoruyla ilgili çalışmalarda ilk kez kullanılacağından dolayı özgün ve yenilikçi bir yaklaşım olduğu ifade edilebilir. Ek olarak, uluslararası literatürde de henüz az sayıda ilişkili çalışmaların bulunduğu göz önüne alınırsa; bu tez çalışmasında kullanılan yaklaşım konuyla ilgili araştırmacılar tarafından muhtemelen önemli ve fikir verici olarak değerlendirilebilir. Motor çalışma hızı, şarj basıncı, sıcak ve soğuk silindir sıcaklıkları, silindir (süpürme) hacmi ve kullanılan akışkan gazın gaz sabiti; optimizasyon sürecinde kullanılan lineer olmayan giriş parametreleridir. Bu esnada, çalışma güvenliği (dolayısıyla şarj basıncı ve motor hızı), malzeme özelliği, genel paket ölçüleri ve genel motor parçaları (piston, biyel kolu, krank mili vb.) tasarım ilişkileri kısıtlarından dolayı optimizasyonda kullanılan parametrelerin alabileceği değer aralıkları hesaplanmıştır. Bu değer aralıklarına bağlı olarak oluşturulan parametre verileri ANN yöntemiyle kullanılarak tahmin edilen motor gücü çıktıları elde edilmiştir. ANN yönteminden edinilen güç değerlerine karşılık gelen motor verimleri de ek olarak hesaplanmış ve pareto çok amaçlı optimizasyon yöntemiyle en uygun motor gücü ve verimi değeri belirlenmiştir. İlgili sonuçları oluşturan parametreler; mühendislik çalışmalarında kabul görmüş bir boyutlu motor performansı simülasyonu programlarından biri olan GT – Suite 2019'un ilgili modülü içerisinde kalibrasyonları yapılarak analiz edilmiştir. Simülasyondan alınan sonuçlar ile sayısal olarak optimize edilmiş sonuçlar karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Akabinde optimum çalışma koşullarını oluşturan parametre değerleri tasarım sürecine başlanılması için dondurulmuştur. Stirling çevrimi için birden çok teorik hesaplama yöntemi bulunmaktadır, bunlardan önemli olan ve genel geçer kullanılanlardan biri Schmidt çevrimi diye de literatürde karşılaşılabilen Schmidt teoremidir. Çalışmadaki termodinamik hesaplamalar bu teoriye göre gerçekleştirilerek; krank açısına (crank angle – CA) bağlı değişken basınç ve hacim değerleri hesaplanmıştır. Bu değerler diğer parametrelerle beraber gözetilerek tasarım unsurların hesaplamalarında kullanılmıştır. Tasarım sürecinde içten yanmalı motorlarda kullanılan jenerik tasarım ilişkilerinden ve ayrıca temel mukavemet hesaplamalarından (eğilme, burulma, kesme, burkulma gibi durumların incelendiği) faydalanılarak ölçülendirilen tasarım unsurları (krank yarıçapı, ana ve biyel muylu çapları, karşı ağırlık kütlesi, biyel kolu uzunluğu, kiriş kalınlığı gibi) sayesinde ilgili motor parçalarının üç boyutlu (three dimensional – 3D), katı, bilgisayar destekli tasarım (computer aided drawing – CAD) modelleri CATIA V5 ticari yazılımı marifetiyle hazırlanmıştır. Tasarım sürecinde dinamik çalışma boşluğu, emniyet kat sayısı gibi bazı ampirik değerler daha önceki gerçekleştirilen çalışmalardan edinilen tecrübeye istinaden seçilmiş ve uygulanmıştır. Araştırmanın tez çalışmasının dışında kalan ileri aşamalarında prototip imalatı yapılacağından dolayı tasarım modellerinde seri ürüne yönelik unsurlardan kaçınılmıştır. Bununla beraber, yine araştırma kapsamında bulunan fakat bu tez çalışmasının odağında yer almayan; hesaplamalı akışkanlar dinamiği (computational fluid dynamics – CFD) ve elektrik – elektronik temelli çalışmalar ve bunlarla ilgili tasarım detaylarına yer verilmemiştir. Bu nedenle silindir kafası, silindir kafaları arası bağlantı, genleşme silindiri brülörü, sıkıştırma silindiri soğutucusu, rejeneratör, elektrik generatörü, generatör bağlantı elemanları, batarya veya UPS, elektrik devre elemanları gibi parça ve bileşenlerin tasarımları tez çalışması kapsamında ele alınmamıştır. Zira ilgili çalışmalar ve tasarımlar konuyu haiz ekiplerin sorumluluğunda bulunmaktadır. Dolayısıyla baz motora ait parçaların tasarlanmış 3D CAD modelleri ve bunlarla oluşturulmuş montajlı yapının 3D CAD modeli ile yapısal sonlu elemanlar analizleri (finite element analysis – FEA) gerçekleştirilmiştir. Baz motorun parçalarına ve montajlı yapısına ait deformasyon, birim şekil değiştirme ve gerilme durumlarının benzetimleri için ticari sonlu elemanlar yazılımı olan ANSYS Mechanical kullanılmıştır. Üniversitede ve kurum bünyesinde bulunan yazılım imkanı sayesinde etkin biçimde yapısal FEA çalışmaları üç ana analiz fiziği grubunda gerçekleştirilmiştir. İlk olarak teorik hesaplardan edinilen basınç verilerinden de faydalanılarak parça ve montaj bazlı statik yük altındaki yapısal benzetimler gerçekleştirilmiştir. İkinci olarak montajlı yapının çalışma koşullarındaki yüklemeler altındaki (çalışma hızı ve zamana bağlı basınç değerinin göz önüne alındığı durum) yapısal benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Üçüncü olarak da sistemin rijit bünye dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu grup altında montajlı yapının karşı yükü temsil edecek tork tanımlanması suretiyle beklenilen çalışma koşullarına yakın durumun analizi gerçekleştirilmiştir. FEA çalışmaları sürecinde çözüm ağı özellikleri, elemanların lineer olmayan mertebeye uygunluğu, çözüm adımlarına karşılık gelen zaman aralıklarının belirlenmesi, malzeme özellikleri ve bağlantı – temas bölgelerinin tanımlanması hususları titizlikle ele alınmıştır. Yazılım kabiliyeti ve çözüm gücü (bilgisayarın anlık belleği, kalıcı belleği, işlemci hızı ve çekirdek başına düşen bellek gibi unsurlar) göz önüne alınarak analiz boyunca kuvvet yakınsamasının en az %90 oranında tutulduğu ifade edilebilir. Zamana bağlı analizler gerçekleştirilirken daha yakınsanmış sonuçları irdeleyebilmek için en fazla 1° CA dönüş zamanına karşılık gelecek biçimde çözüm adımı zaman aralıkları tanımlanmıştır. Sonunda edinilen sonuçlar analiz edilmiştir. CFD çalışmaları tezin kapsamı dışında olduğundan dolayı gaz dinamiğine yönelik davranış unsurları yapısal FEA çalışmalarına dahil edilmeyip, daha önceden de belirtildiği üzere teorik hesaplamalardan edinilen gaz basınç değerleri pistonların üst yüzeylerine tanımlanarak çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Halihazırda kapsamlı CFD analizlerinin de henüz tamamlanmadığı ve esasında baz motorun yapısal analizlerden sonra ortaya çıkacak yapıyla uyumlu tasarlanacak olan; detaylı silindir kafası, ısı bağlantı borusu ve rejeneratör 3D CAD modellerine göre gerçekleştirileceği belirtilebilir. FEA sonuçları detaylı biçimde ele alınarak nihai 3D ve 2D (two dimensional – 2D) CAD modelleri raporlanmıştır. Çalışmanın sonunda tüm sonuçlar vurgulanmış ve çalışmayı daha da iyileştirebilecek öneriler ayrıca belirtilmiştir. Sonuçta isterleri karşılayacak biçimde optimize edilmiş, baz ve prototip seviyesinde, yapısal olarak mukavim bir Stirling motoru tasarımı elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Energy requirement and supply have been handled as important issues for centuries. With the technological progress, people have tended to need more amount of energy in various types, such as electrical and thermal. Here, the technological progress acts an important role again about the generation of the required amount of energy by considering the environmental concern and the cost. It is known that many studies, developments and applications have been conducted by universities, companies and governments for gathering the energy. However, the continuous supply of the energy has constituted a problem. To overcome this problem, it can be implied that energy storage systems have been researched for many years. One of the most famous systems is battery. Batteries are generally used to provide electrical energy for the instantaneous demand and mobilized devices such as laptop computers, smart phones, and even hybrid or full electric vehicles in these days. On the other hand, they have certain energy capacities and so they must be recharged when they are discharged or they should have a capability of being charged instantly during the supply. The prologue about the issue of continuous energy supply was implied, because of the main idea that is related by the study of this thesis. The idea is based on a research request of a commercial natural gas distribution company about the applicability of a small continuous electrical energy supply system that is fueled by the natural gas. According to the request, a system has been studied for supplying the energy for common combi boilers in the electric interruption by collaboration of different teams in the Energy Institute of TÜBİTAK Marmara Research Center. Hence, the corresponding solutions in the market were researched. By evaluation of the examples and the demands, a system, which is consisting of electrical components (like a battery or an uninterruptible power source (UPS), cables, circuits), a generator and an external combustion driver engine that should be operated with the natural gas, was determined to research. Thus, the studies regarding with optimization, design, calculation and structural strength analysis of the engine have been selected as the base of this thesis study. Before the optimization studies, instantaneous energy consumption was measured according to a generic usage scenario for a common combi boiler to determine the required amount of energy and so the power that should be produced by the engine. Then, the related thermodynamic cycles were studied to choose the suitable one that is Stirling Cycle. After the determination of the engine cycle, literature research was handled for choosing the appropriate Stirling engine type, which is alpha, and getting experimental data set that was used for optimization studies. In the optimization phase, artificial neural network (ANN) method was utilized to predict the engine power. The reason why the ANN was selected is that it can be assumed as an effective method considering the non–linear parameters robustly. Moreover, it can also be implied that usage of the ANN method for optimizing Stirling engines is a novel approach in thesis – level national literature. Additionally, there are limited related studies in the global literature, so this approach used in this thesis may probably be evaluated as important and suggestive by related researchers. Engine operating speed, charge pressure, hot and cold cylinders temperatures, swept volume and gas constant were the main non–linear parameters used in the optimization process. Meanwhile, constraints of operation safety, material properties, general package dimensions and generic design relations of the engine components (for example piston, connecting rod, crankshaft etc.) were used for setting the intervals of the parameters. By their implementation to the developed ANN, power outputs were predicted. Moreover, the network predicted power results were also combined with the engine efficiency values and then optimized by the pareto multiobjective optimization method additionally. The optimum power and engine efficiency output was compared with result of the numerical engine simulation, which was executed by a well-accepted one-dimensional (1D) engine performance software that is GT – Suite 2019. Then the corresponding parameters that led to the optimum power and engine efficiency results were frozen for the design phase. According to the optimized operation parameters, the Schmidt cycle or theory based thermodynamic calculations were executed. The crank angle (CA) based transient pressure and volume data was achieved and it was considered with the other parameters for the calculation of the design features of the engine components. Furthermore, basic strength of materials equations and internal combustion engines generic design rules were utilized for the calculations in the design phase. Then, the calculated values of the features for example crank radius, crankshaft main diameter, crankpin diameter, connecting rod length, beam thickness etc. were used for modeling the three-dimensional (3D) computer aided drawing (CAD) data by the commercial software of CATIA V5. During the design process, certain assumptions like those that dynamic clearance, safety factor etc. were considered according to experience based empirical data. However, the computational fluid dynamics (CFD) studies and the exact CAD data of the related components for example cylinder heads, burner and cooler equipment, inter–head connecting pipe, regenerator etc. are not asserted in this thesis, as it is implied before, they are out of the scope and will be handled and analyzed by another team focusing on CFD. Likely, selection of the generator type, its mechanical coupling elements, layout of the electrical components and their CAD data are also not focused, since they are in the responsibility of the electrical team, so only the base engine related components were designed and their assembly was prepared for static and transient structural and rigid body dynamics finite element analyses (FEA). To simulate the deformation, strain and stress of the base engine, commercial software of ANSYS Mechanical was used. Three types of physics were paid attention. The first one is the static structural FEA that was selected to observe the statically force effects. The second one is the transient structural FEA that was selected to observe the transient load effects. The final one is the rigid body dynamics FEA that was executed for the observation of the dynamic response of the mechanism against the loading. After the analysis and the evaluation of the results, the prototype level 3D and two-dimensional (2D) CAD data of the base engine was revised. Moreover, the discussion and the future work suggestions were reported respectively. Finally, a design of an optimized, base and prototype – level, structurally strong Stirling engine has been obtained at the end of the study.
Benzer Tezler
- Motor takozları bağlantı elemanlarının yapısal tasarımı ve yapay sinir ağları ile analiz tahmini
Structural design of engine mount bracket parts and analysis prediction with artificial neural networks
MUSTAFA KEREM ÖZDER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Otomotiv MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERRUH ÖZTÜRK
- Artificial neural network-based design tool for the horizontal stabilizer of a helicopter
Bir helikopter yatay dengeleyicisi için yapay sinir ağı tabanlı tasarım aracı
EREN DUZCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BORA YILDIRIM
- Takviyeli panel yapıların burkulma ve burkulma sonrası davranışının yapay sinir ağları ile optimizasyonu
Optimization of buckling and post-buckling behavior of reinforced panel structures using artificial neural networks
ERTUĞRUL ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Novel cochlear electrode array development using microfabrication techniques
Mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak yenilikçi koklear elektrot dizini geliştirilmesi
GÜLÇİN ŞEFİYE AŞKIN
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Yapay sinir ağı kullanarak yapısal optimizasyon problemlerindeki çözüm süreçlerinin kısaltılması
Reducing the solution processes in structural optimization problems using neural networks
TEVFİK OĞUZ ÖRMECİOĞLU
Doktora
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriAkdeniz Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM AYDOĞDU
PROF. DR. NİYAZİ UĞUR KOÇKAL